MATERIAŁY CERAMICZNE

MATERIAŁY CERAMICZNE

Maria Łączka

Program wykładów:

• Ogólna charakterystyka materiałów ceramicznych

– Spiekanych (ceramika właściwa) – Topionych (szkła i szkliwa)

– Wiążących (wapno, gips, cement)

• Charakterystyka surowców

ceramicznych stosowanych do wytwarzania ceramiki właściwej

• Przykłady mas ceramicznych

• Technologie wytwarzania wyrobów spiekanych:

– Przygotowanie mas ceramicznych;

– Sposoby formowania wyrobów z mas ceramicznych;

– Suszenie;

– Spiekanie;

• Ceramika specjalna i niekonwencjonalne sposoby wytwarzania materiałów

ceramicznych

• Charakterystyka surowców stosowanych do wytwarzania szkieł i szkliw;

• Rodzaje szkieł i szkliw;

• Technologie przemysłowe i

niekonwencjonalne (synteza zol-żel) wytwarzania szkieł i szkliw;

• Charakterystyka materiałów ogniotrwałych;

• Charakterystyka materiałów wiążących;

Co to jest ceramika?????

Ceramika wywodzi się z greckiego

słowa Keramos czyli jest to wyrób,

który powstał pod wpływem działania ognia (wypalania)

Obecna definicja ceramiki:

wyroby, które powstały w wyniku przetwarzania surowców

mineralnych i chemicznych w

procesie wysokotemperaturowym

PODZIAŁ CERAMIKI

•WYROBY WYPALANE (ceramika właściwa)

•WYROBY TOPIONE (szkła i szkliwa)

•MATERIAŁY WIĄŻĄCE

(wapno, gips cement)

Jakie są zasadnicze różnice

pomiędzy wymienionymi grupami materiałów ceramicznych ????????

•Różnice tkwią w:

- cyklu produkcyjnym

- własnościach materiałów

- zastosowaniu

RÓŻNICE POMIĘDZY

WYROBAMI TOPIONYMI I WYPALANYMI

WYROBY WYPALANE

Przygotowanie surowców

Przygotowanie mas ceramicznych Formowanie z mas ceramicznych Suszenie i spiekanie (wypalanie)

RÓŻNICE POMIĘDZY

WYROBAMI TOPIONYMI I WYPALANYMI

WYROBY TOPIONE (SZKŁA)

Przygotowanie surowców Topienie

Formowanie ze stopu Witryfikacja (zeszklenie)

MATERIAŁY WIĄŻĄCE

 materiały w postaci sypkiej;

 w procesie technologicznym brak operacji formowania

wyrobów;

 posiadają właściwości

wiązania i twardnienia po

zarobieniu z wodą;

CERAMIKA WŁAŚCIWA

Wyroby polikrystaliczne (mogą zawierać fazę szklistą), otrzymane z surowców mineralnych

na drodze wypalania

CERAMIKA WŁAŚCIWA

• Ceramika szlachetna (fajans, kamionka, porcelit, porcelana);

• Ceramika techniczna (ceramika sanitarna, elementy aparatury itp..);

• Ceramika budowlana (cegły, dachówki, płytki ścienne, płytki podłogowe, płytki mrozoodporne);

• Ceramika ogniotrwała (wyroby

ogniotrwałe: kwaśne, zasadowe, obojętne, specjalne);

• Ceramika specjalna (wyroby dla elektroniki i innych zastosowań specjalnych)

PODZIAŁ WYROBÓW

Z CERAMIKI WYPALANEJ ZE WZGLĘDU

NA CECHY FIZYCZNE

• Wyroby porowate (po wypaleniu zabarwione lub białe)

• Wyroby nieporowate (nie

przeświecające, przeświecające,

słabo przeświecające)

Wyroby porowate

Zabarwione po wypaleniu

Cegła

Materiały ogniotrwałe

Wyroby garncarskie

Białe po wypaleniu

Fajans

Niektóre wyroby ceramiki specjalnej

Wyroby nieporowate

Nieprzeświecając e

Kamionka

Porcelit

Przeświecające, białe

Porcelana

Słabo przeświecające, żółte

Wyroby steatytowe

Wyroby specjalne dla elektroniki

Ogólna charakterystyka surowców ceramicznych

• Surowce plastyczne (ilaste)

• Surowce nieplastyczne:

– schudzające – topniki

– surowce pomocnicze

Gliny

Kaoliny

Bentonity

Łupki

•Charakterystyka mineralogiczna:

Skały osadowe złożone z różnego rodzaju minerałów krzemianowych (przeważnie uwodnione

glinokrzemiany Al₂O₃mSiO₂nH₂O).

Surowce plastyczne

Surowce plastyczne

•Główne minerały występujące w surowcach plastycznych:

Kaolinit (kaolin i łupki ogniotrwałe)

Kaolinit, ility (gliny ogniotrwałe)

Montmorylinity (bentonity)

•Podstawowa cecha surowców ilastych:

PLASTYCZNOŚĆ – zdolność tworzenia, po zarobieniu z wodą masy, którą

można formować, a która zachowuje nadany jej kształt po wysuszeniu i

wypaleniu;

Surowce nieplastyczne schudzające

Mają na celu „schudzenie” plastycznych surowców ilastych (zmniejszenie

skurczliwości suszenia i wypalania)

•Surowce krzemionkowe (SiO2): kwarc, kwarcyty, piaski kwarcowe

•Surowce o wysokiej zawartości tlenku glinu:

Surowce glinowe: korund i jego odmiany, uwodnione tlenki glinu;

Surowce otrzymywane sztucznie: tlenek glinu, elektrokorund;

Surowce glinowo-krzemianowe: sylimanit, mulit;

Surowce nieplastyczne spełniające rolę topników

Obniżają temperaturę spiekania i topienia

•Skalenie, piasek kwarcowy :

Skaleń potasowy: ortoklaz K2O Al2O3 SiO2;

Skaleń sodowy: albit Na2O Al2O3 SiO2;

Anortyt CaO Al2O3 SiO2

•Surowce wapniowe i magnezowe:

Węglan wapniowy CaCO3;

Magnezyt MgCO3;

Dolomit CaCO₃ MgCO₃;

Klasyfikacja surowców ilastych ze względu na ich

przydatność do produkcji tworzyw ceramicznych:

• Zawartość zanieczyszczeń w postaci związków żelaza (decydują o

zabarwieniu wyrobu po wypaleniu);

• Zawartość zanieczyszczeń w postaci związków wapnia, magnezu, potasu, sodu itp. spełniających rolę topników (decydują o ogniotrwałości wyrobu)

Przykłady:

• Kaoliny i gliny wypalające się na kolor biały lub kremowy (niska zawartość związków

żelaza) stosowane są do wytwarzania

wyrobów ceramiki szlachetnej – porcelana, porcelit, fajans;

• Gliny ceglarskie dają po wypaleniu czerep o barwie czerwonej (duże ilości

zanieczyszczeń związkami żelaza);

• Gliny ogniotrwałe, niska zawartość

topników (poniżej 6%), dają wyrób o dużej ogniotrwałości

Wyroby wypalane

• Przygotowanie surowców

• Przygotowanie mas ceramicznych

• Formowanie z mas ceramicznych

• Suszenie i spiekanie (wypalanie)

Przygotowanie surowców

• Wzbogacanie (oddzielanie niekorzystnych domieszek)

• Wstępna przeróbka surowców (rozdrabnianie)

Zestawianie mas ceramicznych

Przykłady:

fajans

gliny: średnio-plastyczna 30%

bardzo plastyczna 32%

marmur lub kreda (CaCO₃) 12%

piasek kwarcowy 26%

porcelana

substancja ilasta (kaolin) 50%

skaleń 25%

kwarc 25%

Przygotowanie mas ceramicznych:

Mieszanie surowców w odpowiednich urządzeniach (mieszadła, gniotowniki, bełtacze) z dodatkiem wody i innych składników w zależności od

przeznaczenia masy (sposobu formowania wyrobu)

Przygotowanie mas ceramicznych:

Odwadnianie i odpowietrzanie masy w specjalnych prasach filtracyjnych i

próżniowych

Prasa

filtracyjna

Przeznaczenie mas ceramicznych:

zawartość H2O w %

Do odlewania 25- 35

Do formowania plastycznego 15-25

Do prasowania plastycznego 10-14

Do prasowania suchego 3-9

Formowanie wyrobów z mas ceramicznych:

Odlewanie w formach gipsowych

Formowanie z mas plastycznych – ręczne, przez tłoczenia, formowanie na prasach

Prasowanie

z mas półsypkich i sypkich

z mas plastycznych

hydrostatyczne

termoplastyczne

Odlewanie w formach gipsowych

Sporządzanie gęstwy (masy lejnej) – wodna zawiesina zmielonych surowców

ceramicznych, charakteryzująca się niską lepkością, niska szybkością osiadania,

niską skurczliwością (dodatek upłynniaczy np. krzemian sodu)

Odlewanie w formach gipsowych

Odlewanie masy lejnej do formy gipsowej – odlewnie jednostronne, dwustronne,

bateryjne

Pozostawienie w formie celem zgęstnienia masy (woda odciągana jest przez formę

gipsową)

Formowanie z mas plastycznych

Ręczne:

•formowanie z bloczka

•przez narzucanie masy

•przez nacieranie masy

•przez ubijanie

Toczenie wyrobów:

Najstarszy sposób formowania z gliny – koło garncarskie

Prasowanie - formowanie z mas plastycznych, półsuchych i

suchych

Poddawanie mas działaniu wysokiego ciśnienia w specjalnych formach

Warunek sukcesu:

równomierny

rozkład ciśnień w

obrębie prasowanej kształtki; jeśli

rozkład ciśnień jest nierównomierny – wypaczanie wyrobu

Czynniki determinujące proces formowania:

stosunek wysokości L wyrobu do jego

średnicy D (wartość stosunku L : D ogranicza

wysokość wyrobów, które mogą być formowane przez prasowanie) – prasowanie jednostronne i dwustronne (w dwustronnym masa jest

ściskana na raz od wierzchu i spodu);

stosowanie odpowiednich smarów do smarowania wewnętrznych ścian form;

wprowadzenie odpowiedniego dodatku do mas spełniającego rolę środka poślizgowego, lepiszcza i środka zapobiegającego

przyklejaniu się masy do formy;

Formowanie termoplastyczne

Proces produkcyjny:

Mieszanie proszku technologicznego z

dodatkiem substancji termoplastycznej np.

parafiny (substancja termoplastyczna po ogrzaniu zmienia stan skupienia: ciało

stałe ciecz, a po ochłodzeniu proces jest odwrotny: ciecz  ciało stałe)

Stosuje się przy formowaniu wyrobów o złożonych kształtach – ceramika specjalna

Formowanie termoplastyczne

Formowanie przy pomocy wtryskarki

Nagrzewanie masy;

Wypływ ciekłej masy do formy pod wpływem sprężonego powietrza;

Ochładzanie-zastyganie masy, przyjmowanie kształtu formy;

Usuwanie lepiszcza technologicznego;

Wypalanie.

Wtryskarka:

1 – śruba

dociskowa; 2 – forma;

3 – pojemnik;

4 – masa;

5 - olej

Suszenie i wypalanie

Suszenie

Rodzaje wody w masie ceramicznej:

Nie związana chemicznie:

 Swobodna

 Kapilarna

 Zaadsorbowana na powierzchni

Związana chemicznie:

strukturalna – konstytucyjna

Usuwanie:

450 C Usuwanie:

Zjawiska fizyko-chemiczne zachodzące przy suszeniu

Usuwanie wody

Siły kapilarne, występujące w masie podczas suszenia wywołują ciśnienia

rzędu kilku atmosfer Konsekwencje

dociskanie cząsteczek

silne zagęszczenie masy ceramicznej

Przebieg procesu suszenia:

Materiał suszony:

Masa ceramiczna o składzie:

(% wagowy): substancja stała 75%

woda 25%

(% objętościowy): substancja stała 55%

woda 45%

Przebieg procesu suszenia:

Etapy suszenia (wg wykresu Bourry’ego):

Etap I skurczliwość do 6%

Etap II skurczliwość do 22%

(maksymalne zbliżenie się ziaren – osiągnięcie wilgotności krytycznej)

Etap III usuwanie wody między- ziarnowej

tworzenie się por

(skurczliwość praktycznie nie

występuje

Warunek sukcesu procesu suszenia

Równomierne

w całej objętości kształtki

Oddawanie wody Przejście od stanu plastycznego do

stwardniałego

Realizacja procesu suszenia w warunkach przemysłowych

Suszarnie naturalne

stelażowe (naturalny obieg powietrza)

Suszenie dwustopniowe:

nagrzewanie gazami o dużej wilgotności

suszenie gazami o niższej wilgotności

Realizacja procesu suszenia w warunkach przemysłowych

Suszarnie z kontrolowaną:

temperaturą,

wilgotnością,

wymianą medium suszącego

Suszenie i wypalanie

Wypalanie

Składniki mas ceramicznych:

Minerały ilaste :

 Swobodna

 Kapilarna

Topniki (surowce węglanowe,

skalenie)

Surowce schudzające (piasek kwarcowy) Surowce pomocnicze

(substancje organiczne)

Przemiany fizyczne i chemiczne zachodzące

podczas wypalania

PRZEMIANY FIZYCZNE Odparowanie wody

Parowanie

substancji, topienie

Przemiany polimorficzne,

krystalizacja nowych faz

PRZEMIANY CHEMICZNE

Dysocjacja termiczna

Reakcje syntezy i wymiany

Reakcje redox

Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania

tworzyw ceramicznych :



Dehydroksylacja 600 – 700^oC:

(kaolinit) Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ Al₄[Si₄O₁₃](OH)₂ + 3H₂O

Al₄[Si₄O₁₄] + 4H₂O (metakaolinit)

Rozkład (mulityzacja) ok. 1000^oC

2Al₂O₃^.4SiO₂ 2Al₂O₃^.3SiO₂ 2Al₂O₃^.2SiO₂

metakaolinit faza spinelowa mulit przejściowy

3Al₂O₃^.2SiO₂ + SiO₂

mulit 3:2 krystobalit

Przykład podstawowych reakcji zachodzących podczas wypalania

tworzyw ceramicznych :



CaCO₃ CaO + CO2



CaO + SiO₂ CaSiO₃

Powstająca w temperaturach około 1000^oC faza ciekła (szklista) zalewa pory powodując likwidacje

Wszystkim przemianom fizycznym i chemicznym zachodzących

podczas wypalania tworzyw ceramicznych towarzyszy

spiekanie!!!

SPIEKANIE SPIEKANIE

z udziałem fazy

ciekłej w fazie

stałej

Warunki wypalania wyrobów ceramicznych

Wyroby ceramiki budowlanej – 1050^oC

Wyroby garncarskie

Nie szkliwione – 900-950^oC

Szkliwione – 900-1000^oC

Wyroby kamionkowe – 1100-1280^oC

Wyroby fajansowe

Wypał dwukrotny:

I – 1100-1300^oC

II – ze szkliwem – do 1300^oC

Warunki wypalania wyrobów ceramicznych

Wyroby porcelanowe i porcelitowe

Wypał dwukrotny:

I – na biskwit – 800-950^oC

II – „na ostro” – 1350-1410^oC

Wyroby ogniotrwałe –

Zależnie od rodzaju 1350-1500^oC

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w

warunkach przemysłowych

Piece komorowe

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w

warunkach przemysłowych

Piece tunelowe

Realizacja procesu wypalania tworzyw ceramicznych w

warunkach przemysłowych

Piece kręgowe